DE2608089C3 - Method for producing a superconducting Nb3 Sn layer on a niobium surface for high frequency applications - Google Patents
Method for producing a superconducting Nb3 Sn layer on a niobium surface for high frequency applicationsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer supraleitfähigen NbiSn-Schicht auf einer Nioboberfläche für Hochfrequenzanwendungen durch Eindil'fiindicren von Zinn in diese Oberfläche bei erhöhter Tempera tür.The invention relates to a method for producing a superconducting NbiSn layer on a niobium surface for high-frequency applications by indil'fiindicren of tin in this surface at increased Tempera door.
Supraleitfähige Einrichtungen zum Betrieb mit hochfrequenten elektromagnetischen l;eldern mit l-'requenzen von etwa 10 MHz und mehr können in der Technik vielfältige Anwendung finden. Sie können insbesondere als Resonatoren und Separatoren für Teilchenbeschleuniger oder als Hochfreqiienzresonaioren zu anderen Zwecken, beispielsweise als l'requenznormale, eingesetzt werden und dabei insbesondere als Hohlraumresonatorcn oder als Rcsonalorwendeln ausgebildet sein. Supraleitende Hohlraumresonatoren werden etwa im Frequenzbereich von I bis 15 GIIz, supraleitende Resonatorwcndeln im Bereich von MHz betrieben. Als Supraleitmatcrialien für solche Resonatoren wurden bisher meist Niob und gelegentlich auch Blei verwendet.Superconductive devices for operation with high frequency electromagnetic oil ; Elder with frequencies of about 10 MHz and more can be used in technology in a variety of ways. In particular, they can be used as resonators and separators for particle accelerators or as high-frequency resonators for other purposes, for example as sequence standards, and in particular be designed as cavity resonators or as Rcsonalor coils. Superconducting cavity resonators are operated in the frequency range from 1 to 15 GIIz, superconducting resonator waves in the range of MHz. Up to now, mostly niobium and occasionally also lead have been used as superconducting materials for such resonators.
Bei solchen supraleitenden Einrichtungen strebt man hohe Güte und in der Regel auch eine möglichst hohe, unter Einwirkung von I lochfrcquenzfeldern gemessene kritische magnetische FluBdichic B '," an, um die supraleitenden Einrichtungen mit möglichst hoher Frcquenzleistung bei gleichzeitig niedrigem Oberflächenwiderstand betreiben zu können. Wird nämlich die kritische magnetische FluBdichte ß'" überschritten, so steigen die Verluste stark an. der Oberflächenwiderstand nimmt erheblich zu und das elektromagnetische Feld bricht zusammen. Eine obere Grenze Tür B'" ist dabei durch die sogenannte thermodynamisch^ kritische Flußdichte S1 gegeben. Da die thermodynamischc kritische Flußdichte B1- von Nb1Sn höher liegt als die des Niobs, ist zu erwarten, daß an einer NbjSn-Oberfläche eine höhere kritische Flußdichtc B'" zu erreichen ist als an einer Nioboberfläche. Ferner hat NbjSn auch eine erheblich höhere kritische Temperatur als Niob, so daß es einmal eine höhere thermische Stabilität besitzt und zum anderen auch höhere Betriebstemperaturen als Niob erlauben sollte, insbesondere einen Betrieb bei der Temperatur des siedenden flüssigen Heliums von 4,2 K, die für Hochfrequenzanwendungen von Niob bereits zu hoch ist.In such superconducting devices, the aim is to achieve a high quality and, as a rule, the highest possible critical magnetic flux density B ', "" measured under the action of hole frequency fields, in order to be able to operate the superconducting devices with the highest possible frequency performance with at the same time low surface resistance If the critical magnetic flux density ß '"is exceeded, the losses increase sharply. the surface resistance increases considerably and the electromagnetic field collapses. An upper limit door B '" is given by the so-called thermodynamically critical flux density S 1. Since the thermodynamically critical flux density B 1 - of Nb 1 Sn is higher than that of niobium, it is to be expected that a higher critical flux density B '" can be achieved than on a niobium surface. Furthermore, NbjSn also has a significantly higher critical temperature than niobium, so that on the one hand it has a higher thermal stability and on the other hand it should also allow higher operating temperatures than niobium, in particular operation at the temperature of the boiling liquid helium of 4.2 K, which is necessary for High frequency applications of niobium is already too high.
Es ist auch bereits versucht worden, auf Niobresonatoren dünne Schutzschichten von NbiSn aufzubringen, indem zunächst Zinn auf den Niobresonator aufgedampft und dieser dann wärniebehandelt wird. Mit solchen Oberflüchenschichten wurde bei 2.8GHz eine Güte Q11 von etwa I011 und eine kritische Flußdichle ß'," von etwa 25 niT gemessen (vgl. »Siemens-Forsehungsiind Fmwickliingsberichic« J [1974], Seite 96. rechne Spalte).Attempts have also already been made to apply thin protective layers of NbiSn to niobium resonators by first evaporating tin onto the niobium resonator and then heat-treating it. With such surface layers, a quality Q 11 of about 10 11 and a critical flux density ß ', "of about 25 niT were measured at 2.8 GHz (cf." Siemens-Forsehungsiind Fmwickliingsberichic "J [1974], page 96, calculated column).
Ferner ist es bereits bekannt, die mit einer NbiSn-Sehichi zu versehenden Niobteile in einem geschlossenen Reaktionsgefäß, nämlich einer abgeschlossenen, evakuierten Q/iiarzampulle. bei erhöhter Temperatur von etwa 1000"C einer Zinndampfatmosphärc auszusetzen, aus welcher das Zinn unter Bildung der gewünschten NbiSn-Schicht in die Nioboberfläche eindilTundiert. Hierbei lassen sich Nb1Sn■ Schichten von einigen um Dicke und bereits verhältnismäßig guten Eigenschaften, beispielsweise mit Güten Qu von etwa H)" und kritischen magnetischen !"'ulklichien BT von eiwas über 4OmT bei 1.5 K. erzielen (Aufsatz von Hillenbrand u.a. in »IEEE Transactions on Magnetics«, Vol. MAG-I I. Nr. 2. Mär/. 1975. Seiten 420 bis 422).Furthermore, it is already known to place the niobium parts to be provided with an NbiSn-Sehichi in a closed reaction vessel, namely a closed, evacuated Q / iiarzampulle. exposing a Zinndampfatmosphärc at an elevated temperature of about 1000 "C, from which the tin to form the desired NbiSn layer eindilTundiert in the niobium surface. Here, Nb blank 1 Sn ■ layers of several microns thickness and already relatively good properties, for example with grades Qu of about H) "and critical magnetic!"'ulklichien BT I of eiwas over 4OmT at 1.5 K. achieve (paper by Hillenbrand, inter alia, in "IEEE Transactions on Magnetics", Vol. MAG-I no. 2 March /. 1975 Pages 420 to 422).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von supraleitfähigen NbiSn-Sehkhten auf Nioboberflächen für llocbfrcquenzanwendungen weiter zu verbessern. Insbesondere wird eine weitere Erhöhung der Güte und der kritischen magnetischen Ihißdichte der erzeugten NbiSn-Schichten angestrebt, wobei es besonders auf hohe Güten bei Temperaturen ankommt, die für lloehfrcquenzanwendungen von Niob bereits zu hoch sind, also insbesondere bei der Temperatur des siedenden flüssigen Heliums von 4,2 K.The invention is based on the object of producing superconducting NbiSn joints To further improve niobium surfaces for block frequency applications. In particular, there will be another The aim is to increase the quality and the critical magnetic density of the NbiSn layers produced, where it is particularly important to have high grades at temperatures that are necessary for high frequency applications of niobium are already too high, especially at the temperature of the boiling liquid helium of 4.2 K.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß derart vorgegangen, daß die mit der NbjSn-Schieht zu versehende Nioboberfläche zunächst anodisch oxidiert wird, dann die hierbei erzeugte Nioboxidschicht in eine evakuierbare Reaktionskammer eingebracht und dort nach dem Evakuieren einer Zinndampfatmosphärc derart ausgesetzt wird, daß sich auf der Nioboxidschicht eine Zinnschicht bildet, und schließlich die Nioboberfläche zur Bildung der NbiSn-Schicht auf eine TemperaturTo achieve this object, according to the invention, in a method of the type mentioned at the outset, such a method is used proceeded that the niobium surface to be provided with the NbjSn layer first oxidized anodically is, then the niobium oxide layer produced in this way is introduced into an evacuable reaction chamber and there after evacuation is exposed to a tin vapor atmosphere in such a way that on the niobium oxide layer forms a tin layer, and finally the niobium surface to form the NbiSn layer at a temperature
Γ)Γ)
zwischen 930 und etwa 1400"C erhit/t wird.between 930 and about 1400 "C / t is raised.
Die beim erfindungsgemäßen Verfahren zunächst auf der Nioboberfläche durch anodischc Oxidation erzeugte Nioboxidschicht — es handelt sich um eine amorphe Schicht aus Niobpentoxid — wirkt sich auf die spätere Bildung der NbiSn-Schicht äußerst vorteilhaft aus. Insbesondere kann sich auf der Nioboxidschicht eine gleichmäßige Zinnschicht ausbilden, die beim späteren Erhitzen auf die Temperatur zwischen 930 und etwa 14000C in die Nioboberfläche eindiffundieren und durch Reaktion mit dem Niob eine sthr gleichmäßige NbjSn-Schicht bilden kann. Bei Verglcichsversuehen. bei denen eine nicht anodisch oxidierte Nioboberfläche einer Zinndampfatmosphäre ausgesetzt wurde, zeigte sich dagegen nach der abschließenden Wärmebehandlung zur Bildung der NbiSn-Schicht, daß viele Kristillkörner der Nioboberfläche schlecht mit NbiSn beschichtet und teilweise noch blanke Nioboberflächen vorhanden waren. Offenbar werden durch die Nioboxidschicht, die sich bei einer Temperatur zwischen etwa 500 und 600°C auflöst, die unterschiedlichen Einflüsse auf die Keimbildung bei der Entstehung der NbiSn-Schicht weitgehend ausgeglichen, die bei einer blanken Nioboberfläche wegen deren Oberflächenkornstruktur aultreten. The niobium oxide layer initially produced on the niobium surface by anodic oxidation in the method according to the invention - it is an amorphous layer made of niobium pentoxide - has an extremely advantageous effect on the subsequent formation of the NbiSn layer. In particular, can form a uniform layer of tin on the niobium oxide layer, which diffuse in the subsequent heating to the temperature between 930 and about 1400 0 C in the niobium surface and by reaction with the niobium STHR a uniform NbjSn layer can be formed. In the event of a comparison attempt. in which a non-anodized niobium surface was exposed to a tin vapor atmosphere, after the final heat treatment to form the NbiSn layer, however, it was found that many crystal grains of the niobium surface were poorly coated with NbiSn and that some niobium surfaces were still bright. Apparently, the niobium oxide layer, which dissolves at a temperature between 500 and 600 ° C, largely compensates for the different influences on the nucleation during the formation of the NbiSn layer, which occur on a bare niobium surface due to its surface grain structure.
Besonders günstig ist es. wenn das Erhitzen zur Bildung der NbiSn-Schicht in Anwesenheit einer Zinnquelle erfolgt. Hierdurch kann nämlich ein zu starkes Abdampfen von Zinn von der Nioboberfläche vermieden und gegebenenfalls noch zusätzliches Zinn zur Bildung der NbiSn-Schicht aus der Zinndampialmosphäre nachgeliefert werden.It is particularly cheap. when heating to form the NbiSn layer in the presence of a Source of tin takes place. This can lead to excessive evaporation of tin from the niobium surface avoided and possibly additional tin to form the NbiSn layer from the tin vapor atmosphere to be delivered later.
Besonders einfach und damit vorteilhaft kann das cifindungsgemäße Verfahren derart durchgeführt werden. daß die anodisch oxidierte Nioboberfläche zusammen mit einer Zinnquelle in eine evakuierbare Reaktionskammer eingebracht und diese nach dem Evakuieren derart erhitzt wird, daß sich zunächst zur Bildung der Zinnschicht auf der Nioboxidschicht die Zinnquelle auf höherer Temperatur als die Nioboberfläche befindet und anschließend die Nioboberfläche und die Zinnquelle auf etwa die gleiche Temperatur zwischen 930 und etwa 1400"C gebracht werden. Die Bildung der Zinnschichi auf der Nioboxidschicht und die anschließende Erzeugung der NbiSn-Schicht kann bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in unmittelbar aufeinanderfolgenden Schritten in dergleichen Reaktionskammer erfolgen.The method according to the invention can be carried out in this way in a particularly simple and therefore advantageous manner. that the anodized niobium surface is evacuated together with a tin source Reaction chamber introduced and this is heated after evacuation in such a way that initially to Formation of the tin layer on the niobium oxide layer puts the tin source at a higher temperature than the niobium surface and then the niobium surface and the tin source to about the same temperature between 930 and about 1400 "C. The formation of the tin layers on the niobium oxide layer and the subsequent production of the NbiSn layer can be used this embodiment of the method according to the invention in immediately successive steps take place in the same reaction chamber.
Der Temperaturbereich zwischen 930 und 14(M)"C isi für die Bildung der NbiSn-Schicht besonders günstig. Unterhalb von 930"C besteht nämlich die Gefahr, daß sich unerwünschte /innrciche Phasen des Systems Niob-Zinn bilden. Oberhalb von 14()0"C läßt sich dagegen das Schichtwachstum nur noch schlecht kontrollieren.The temperature range between 930 and 14 (M) "C isi particularly favorable for the formation of the NbiSn layer. Below 930 "C there is a risk that undesired / internal phases of the niobium-tin system are formed. Above 14 () 0 "C can on the other hand, it is difficult to control the layer growth.
Als besonders günstig im Hinblick auf die Güte und die kritische magnetische Flußdichtc der gebildeten NbiSn-Schicht hat es sich erwiesen, zunächst innerhalb eines Zeitraumes von etwa 30 Minuten bis 2 Stunden, vorzugsweise etwa 60 Minuten, die anodisch oxidierte Nioboberfläche von Raumtemperatur auf eine Temperatur zwischen 500 und 600"C und die Zinnquelle von Raumtemperatur auf eine Temperatur zwischen 800 und 900"C zu erhitzen, anschließend Nioboberfläche und Zinnquelle in einem Zeitraum von etwa 20 bis 40 Minuten auf eine Temperatur zwischen 1000 und 11000C weiterzuerhitzen und anschließend zur Ausbildung der Nb)Sn-Schiehi auf dieser Temperatur zuIt has proven to be particularly favorable with regard to the quality and the critical magnetic flux density of the NbiSn layer formed to initially move the anodized niobium surface from room temperature to a temperature between about 30 minutes to 2 hours, preferably about 60 minutes 500 and 600 "C and the tin source from room temperature to a temperature between 800 and 900" C, then further heating the niobium surface and tin source to a temperature between 1000 and 1100 0 C in a period of about 20 to 40 minutes and then to form the Nb) Sn-Schiehi at this temperature
lullten. |c kür/er hierbei die erste Fj-hiizungsphusL' gewählt wird, desto langer sollte die /weite lirhitzungspluisc dauern. Die Zeit, in der die Niobobcrflächc und tue Zinnqucllc· zur Bildung der NbjSn-Schicht auf der nach der zweiten Phase erreichten Temperatur /wischen 1000 und 1100 C gehalten wird, kann bei dicken NbjSn-Schichten bis zu 100 Stunden dauern.lulled. | c hereby selects the first Fj-hizungsphusL ' is chosen, the longer should the / wide heating pluisc last. The time it takes for the niobium surface and tin to form the NbjSn layer on the after the second phase reached temperature / between 1000 and 1100 C is kept at thick NbjSn layers last up to 100 hours.
Man kann bei:;; eriindungsgemäßen Verfahren zwar ili«.· Beschichtung der Nioboxidschicht mit einer /innschicht und die anschließende Wärmebehandlung zur Bildung der NbjSn-Sehicht in einer evakuierten, geschlossenen, beispielsweise abgeschmolzenen R^aktionskammer durchführen. Noch günstiger ist es jedoch, in einer evakuierbaren Reaktionskammer einen gegenüber dem restlichen Kammervolumen abgegrenzten, die Zinnquelle und die mit der NbjSn-Schicht zu versehende Nioboberfläche enthaltenden Reaktionsbereich zu bil den und diesen gegenüber dem restlichen Kammervolumen so weit abzudichten, daß beim Evakuieren der Reaklionskammer innerhalb des Reaktionsbereiches vorhandene bzw. auftretende Gase zwar aus diesem abgesaugt werden, jedoch beim späteren Erhitzen der Zinndampfdruck innerhalb des Reaktionsbereiches gegenüber dem Zinndampfdruck in der restlichen Kammer erhöht bleibt, und während des Erhitzens und der anschließenden Wärmebehandlung die Reaktionskammer ständig abzupumpen. You can use: ;; according to the method ili «. · Coating of the niobium oxide layer with a inner layer and the subsequent heat treatment to form the NbjSn layer in an evacuated, closed, for example melted R ^ action chamber carry out. However, it is even cheaper to have one opposite in an evacuable reaction chamber delimited from the rest of the chamber volume, the tin source and that to be provided with the NbjSn layer Niobium surface containing reaction area to bil to seal the and these against the rest of the chamber volume so far that when evacuating the Reaction chamber existing or occurring gases within the reaction area from this be sucked off, but during later heating the tin vapor pressure within the reaction area remains increased compared to the tin vapor pressure in the remainder of the chamber, and during heating and the subsequent heat treatment to continuously pump out the reaction chamber.
Diese Verfahrensweise, bei der eine offene Reaktionskammer verwendet wird und die in ähnlicher Form bereits in der deutschen Patentanmeldung P 25 32 570.6-45 vorgeschlagen worden ist. besitzt gegenüber dem Arbeiten in einer geschlossenen Reaktionsampulle zahlreiche Vorteile. Zunächst kann eine offene Reaktionskammer immer wieder verwendet werden, während eine geschlossene Reaktionsampulle in der Regel beim Öffnen zerstört werden muß. Ferner werden beim Arbeiten in eier offenen Reaktionskammer die im Laufe des Aufheizens von der Oberfläche der erhitzten Teile abgelösten bzw. aus den erhitzten Teilen austretenden Gase ständig abgepumpt, während beim Arbeiten mit geschlossener Ampulle die bei oder nach dem Abschmelzen entstehenden Gase in der Ampulle eingeschlossen bleiben und zu Störungen der NbjSn-Schicht führen können. Durch die Bildung des gegenüber dem restlichen Volumen der Reaktionskammer abgedichteten Reaktionsbereiches gelingt es. trotz der offenen Reaktionskammer während der Bildung der Zinnschicht auf der Nioboxidschicht sowie der anschließenden Bildung der NbjSn-Schicht das Wegdiffundieren von zuviel Zinn in Richtung zum kalten Ende der Reaktionskammer und der dort angeschlossenen Pumpe zu vermeiden. Besonders günstig ist es. wenn die mit der NbjSn-Schicht zu versehende Nioboberfläche selbst eine Begrenzungsfläche des Reaktionsbereiches bildet. Zur weiteren Begrenzung des Reaktionsbereiches kann man beispielsweise Quarz verwenden. Um eine Reaktion von Zinn mit den Quarzwänden und den Einbau von Silizium in die NbjSn-Schicht zu vermeiden, sollte jedoch bei Verwendung von Quarz eine Reaktionstemperatur von 10500C möglichst nicht überschritten werden. Vermeiden kann man derartige Schwierigkeiten vorteilhaft jedoch dadurch, daß man nur Nioboberflächen bzw. anodisch oxidierte Nioboberflächen zur Abgrenzung des Reaktionsbereiches verwendet. Dabei können eine oder mehrere dieser Nioboberflächen wiederum die mit der NbjSn-Schicht zu überziehenden Oberflächen selbst sein. Die Abdichtung des Reaktionsbereiches erfolgt bei dieser Verfahrensurt vorteilhaft derart, daß der Gcsamiqucrschnii der Verbindungswege zwischen dem Inneren de! abgedichteten Reaktionsbereiches und der tvstlichei RcaL'.ior.skamniei. d.h. der Gesaml-Lcckquersciiitir Ί des Reaktionsberciches, kleiru r ist als die Oberfläche der Zinnquelle, also diejenige Oberfläche des geschmolzenen Zinnvorrates, aus welcher das Zinn in der Rcaktionsbercich verdampft. Bei dieser Bemessung de; Leckquerschnilies kann dann allenfalls nur weniger ahThis procedure, in which an open reaction chamber is used and which has already been proposed in a similar form in German patent application P 25 32 570.6-45. has numerous advantages over working in a closed reaction ampoule. First of all, an open reaction chamber can be used over and over again, while a closed reaction ampoule usually has to be destroyed when it is opened. Furthermore, when working in an open reaction chamber, the gases released from the surface of the heated parts or exiting the heated parts during the course of heating are constantly pumped out, while when working with the ampoule closed, the gases produced during or after melting remain trapped in the ampoule and can lead to disturbances of the NbjSn layer. This is achieved through the formation of the reaction area which is sealed off from the remaining volume of the reaction chamber. despite the open reaction chamber during the formation of the tin layer on the niobium oxide layer and the subsequent formation of the NbjSn layer, avoiding too much tin from diffusing away in the direction of the cold end of the reaction chamber and the pump connected there. It is particularly cheap. when the niobium surface to be provided with the NbjSn layer itself forms a boundary surface of the reaction area. Quartz, for example, can be used to further limit the reaction area. In order to avoid a reaction of tin with the quartz walls and the incorporation of silicon into the NbjSn-layer, but when using quartz, a reaction temperature of 1050 0 C should not be exceeded as possible. However, such difficulties can advantageously be avoided by using only niobium surfaces or anodically oxidized niobium surfaces to delimit the reaction area. One or more of these niobium surfaces can in turn be the surfaces to be coated with the NbjSn layer themselves. The sealing of the reaction area is advantageously carried out in this method in such a way that the Gcsamiqucrschnii the connecting paths between the interior of the! sealed reaction area and the most eastern RcaL'.ior.skamniei. ie the total cross-section of the reaction area is smaller than the surface of the tin source, i.e. that surface of the molten tin supply from which the tin evaporates in the reaction area. With this dimensioning de; Leak cross-sections can then only ah less
κι die Hallte des verdampfenden Zinns aus dem Rcaklionsbereich in die Reaklionskammer übertreten Besonders günstig im Sinne einer weiteren Herabsetzung der Zinnverluste ist es jedoch, wenn dei Gesamt-Leckquerschniit höchstens 25% der Obcrflä-κι the echo of the evaporating tin from the return area Pass into the reaction chamber. Particularly favorable in terms of a further reduction the tin losses, however, are when the total leakage cross-section does not exceed 25% of the surface.
r> ehe der Zinnquelle betrag». Genau läßt sich jedoch der Gesamt-Leckquerschnitt in den meisten Fällen nichi bestimmen, vielmehr ist man auf Schätzungen angewie sen. Bei einem Gesamt-Leckquerschnitt in der Größen Ordnung von 0,1 cm2 erreicht man noch eine sehr guter> before the tin source amount ». In most cases, however, the total leakage cross-section cannot be precisely determined; rather, one has to rely on estimates. With a total leak cross-section in the order of 0.1 cm 2 , a very good one is still achieved
2(i Evakuierung der innerhalb des Reaktionsbereiche! vorhandenen bzw. auftretenden störenden Gase, d; diese ein wesentlich niedrigeres Molekulargewicht al; Zinn haben und daher sehr viel rascher abgepump werden als etwa Zinndampf.2 (i evacuation of those within the reaction areas! existing or occurring interfering gases, d; these have a much lower molecular weight a1; Tin and are therefore pumped out much more quickly than, for example, tin vapor.
2) Außer von der Oberfläche der Zinnquelle und von Leckquerschnitt des Reaktionsbereiches wird dci Zinndampfdruck aber auch noch von der Größe der mi der NbjSn-Schicht zu versehenden Niobobcrflächc bestimmt, da das auf der Nioboxidschicht abgeschiedene2) Save from the surface of the tin source and from The leakage cross-section of the reaction area is dci tin vapor pressure but also from the size of the mi The niobium surface to be provided on the NbjSn layer is determined, since the deposited on the niobium oxide layer
in bzw. nach Auflösung dieser Oxidschicht bei erhöhtei Temperatur in die Nioboberfläche eindiffundierende Zinn aus dem Dampfraum entfernt wird. Um nicht au; diesem Grunde einen zu niedrigen Zinndampfdruck in Reaktionsraum und damit zu lange Reaktionszeiten ziin or after dissolution of this oxide layer with increasedi Temperature in the niobium diffusing tin is removed from the vapor space. To not au; for this reason too low a tin vapor pressure in the reaction space and thus too long reaction times zi
r> erhalten, sollte die Oberfläche der Zinnqucllc möglichs größer als 0.2%. vorzugsweise größer als 1%, der mi der NbiSn-Schicht zu versehenden Nioboberfläche gewählt werden. Eventuelle andere den Reaktionsbe reich begrenzende Niobflächen sind, soweit sich donr> obtained, the surface of the tin qucllc should be possible greater than 0.2%. preferably greater than 1% of the niobium surface to be provided with the NbiSn layer to get voted. Any other niobium surfaces delimiting the reaction area are, as far as don
4(i NbiSn-Schichten bilden können, entsprechend zi berücksichtigen.4 (i can form NbiSn layers, corresponding to zi consider.
Während des Aufheizens und der anschließender Reaktionszeit wird man natürlich die Reaktionskammei so gut wie möglich evakuieren. Es hat sich als vorteilhafi erwiesen, das Abpumpen der Reaktionskammer und da; Aufheizen des Reaktionsbereiches derart vorzunehmen daß während des Aufheizens und der Reaktionszeit eir Restgasdruck von 10 A Torr, gemessen am kalten, an die Pumpe angeschlossenen Ende der ReaktionskammerDuring the heating up and the subsequent reaction time, the reaction chamber will of course be evacuated as well as possible. It has proven to be advantageous to pump out the reaction chamber and there; Carry out heating of the reaction area in such a way that during heating and the reaction time eir residual gas pressure of 10 A Torr, measured at the cold end of the reaction chamber connected to the pump
-,ο nicht bzw. nur kurzfristig überschritten wird.-, ο is not exceeded or is only exceeded for a short time.
Die auf der mit der NbjSn-Schicht zu versehende Nioboberfläche durch anodische Oxidation zu erzeugende Niobpentoxidschicht sollte vorzugsweise 0.01 bis 0.3 um dick sein. Oxidschichten mit einer Dicke vor weniger als 0,01 μτη zeigen nämlich praktisch nocr keine vorteilhafte Wirkung auf die Eigenschaften dei später zu bildenden Nb3Sn-SChJcIIt, während be Überschreitung einer Schichtdicke von 0,3 μΐη bei dei anodischen Oxidation sich leicht unerwünschtes OxicThe niobium pentoxide layer to be produced by anodic oxidation on the niobium surface to be provided with the NbjSn layer should preferably be 0.01 to 0.3 μm thick. Oxide layers with a thickness of less than 0.01 μm actually show practically no advantageous effect on the properties of the Nb 3 Sn-SChJcIIt to be formed later, while when a layer thickness of 0.3 μm is exceeded in the case of anodic oxidation, slightly undesirable oxide
bo von grauer Farbe bilden kann. Besonders günstig für da; erfindungsgemäße Verfahren ist eine 0,04 bis 0,15 μίτ dicke NiobpentoxidschichL Für die anodische Oxidatior eignet sich insbesondere das aus der DT-PS 21 06 62i bekannte Verfahren, bei dem die anodische Oxidation irbo of gray color may form. Particularly cheap for there; The method according to the invention is a 0.04 to 0.15 μίτ thick niobium pentoxide layer for anodic oxidation the method known from DT-PS 21 06 62i, in which the anodic oxidation ir
h5 einer wäßrigen Ammoniaklösung, vorzugsweise mit 2( bis 30 Gew.-% Ammoniak, durchgeführt wird. h5 an aqueous ammonia solution, preferably with 2 (up to 30 wt .-% ammonia) is carried out.
Für die fertige NbjSn-Schicht ist eine Schichtdicke von etwa 0,5 bis 5 μτη günstig, die durch entsprechendeFor the finished NbjSn layer, a layer thickness of about 0.5 to 5 μτη is favorable, which by corresponding
Bemessung tier l.riiil/iingszeil /in Bildung tier NH1Sn Schicht eingestelll w erden kann. Einen.eiis sind solche Sciiichlcn dick genug. daß die elektromagnetischen I "eider und Ströme nur in die NbiSn-Schiclil und nicht in die darunterliegende Niohsehichi eindringen. Anderenfalls wäre iiiimlicli insbesondere die Güte und die kritische magnetische llußdichle der Oberfläche nicht durch die NbiSn-Schicht, sondern durch die darunterliegende Niobschicht bestimmt. Zum anderen sind die NbiSn-Schichlen der ■. rwiihnten Dicke aber auch wiederum so dünn, daß in der NbjSn-Schieht entstehende Vcrluslwärmc auf sehr kurzem Weg in das Niob, dessen Wärmeleitfähigkeit höher ist als die des NbiSn. und von dort in das beim Betrieb der Hinrichtung mit dem Niobkörpcr in Berührung stehende Kühlmittel abgeleitet werden kann.Dimensioning of the first line / single line / in formation of the NH 1 Sn layer can be set. For one thing, such scissors are thick enough. that the electromagnetic currents and currents penetrate only into the NbiSn layer and not into the niobium layer below. Otherwise, the quality and the critical magnetic density of the surface in particular would not be determined by the NbiSn layer but by the niobium layer underneath On the other hand, the NiSn layers of the mentioned thickness are so thin that the residual heat generated in the NiSn layer takes a very short path to the niobium, whose thermal conductivity is higher than that of the NiSn, and from there to that during operation of the Execution of coolant in contact with the niobium body can be derived.
Die Hochfrequenz-Eigenschaften der gebildeten NbjSn-Schichl können noch weiter verbessert werden, wenn auf der erzeugten NbiSn-Schicht durch anodischc Oxidation eine Oxidschicht erzeugt und anschließend chemisch wieder abgelöst wird. Das Erzeugen und Ablösen der Oxidschicht kann dabei auch mehrfach wiederhol! werden. Zur Urzeugung der Oxidschicht eignet sich dabei wiederum vorzugsweise eine wäßrige Ammoniaklösung mit 20 bis 30 Gew.-%Ammoniak, zum chemischen Ablösen der Oxidschicht etwa 40- bis 50%ige Flußsäurc (vgl. W7AlV. Transactions on Magnetics. Vol. MAG-11. Nr. 2. 1975, Seiten 420 bis 422 und DIi-OS 24 28 867).The high-frequency properties of the NbjSn layer formed can be improved even further if an oxide layer is produced on the NbiSn layer produced by anodic oxidation and is then removed again chemically. The creation and detachment of the oxide layer can also be repeated several times! will. An aqueous ammonia solution with 20 to 30% by weight of ammonia is suitable for instantaneous generation of the oxide layer, and around 40 to 50% hydrofluoric acid for chemical detachment of the oxide layer (cf. W 7 AlV. Transactions on Magnetics. Vol. MAG- 11. No. 2. 1975, pages 420 to 422 and DIi-OS 24 28 867).
Anhand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele soll das erfindungsgemäßc Verfahren noch näher erläutert werden.The method according to the invention will be described in more detail with the aid of a few figures and exemplary embodiments explained.
I" ig. 1 zeigt schematiseh einen Ausschnitt aus einer zur Durchführung des crl'indungsgemäßcn Verfahrens geeigneten Rcaklionskamnicr;Fig. 1 schematically shows an excerpt from a method for carrying out the method according to the invention suitable rcaklionskamnicr;
Fig. 2 und 3 zeigen schematisch eine beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgeniäßcn Verfahrens in zwei verschiedenen Verfahrensstadien;FIGS. 2 and 3 schematically show an exemplary one Embodiment of a device for performing the inventive method in two different ways Procedural stages;
Fig. 4 zeigt den Verlauf der Temperatur von Nioboberfläche und Zinnquelle in Abhängigkeit von der Zeit bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.Fig. 4 shows the course of the temperature of Niobium surface and tin source depending on the Time in an advantageous embodiment of the method according to the invention.
In Fig.] ist ein topfförmiges Niobteil 1 für einen üblichen kreiszylinderförmigen Hohlraumresonator vom TE1Iii-Feldtyp für eine im A-Band-Bereich liegende Frequenz von 9,5GHz dargestellt, dessen Innendurchmesser und Innenhöhe jeweils 41 mm betragen. Die Herstellung einer supraleitfähigen NbjSn-Schicht auf der Innenfläche dieses topfförmigen Niobteils 1 soll im folgenden als Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren im einzelnen erläutert werden.FIG. 1 shows a pot-shaped niobium part 1 for a conventional circular-cylindrical cavity resonator of the TE 1 III field type for a frequency of 9.5 GHz in the A-band range, the inner diameter and height of which are each 41 mm. The production of a superconducting NbjSn layer on the inner surface of this pot-shaped niobium part 1 will be explained in detail below as an exemplary embodiment of the method according to the invention.
Als Ausgangsmaterial für das Niobteil 1 wurde Niob der üblichen Reinheit (Reaktorqualität, Reinheit >99,8%) verwendet, das vom Hersteller kaltverformt und auf kleines Korn rekristallisiert war. Das Niobteil 1 wurde aus dem Vollen gedreht und anschließend im Ultrahochvakuum bei einer Temperatur von 19000C 50 Stunden lang geglüht. Danach betrug die mittlere Korngröße etwa 5 mm. Anschließend wurde von der Oberfläche des Niobteils allseitig eine etwa 150 μιπ dicke Schicht durch anodisches Polieren mit oszillierendem Strom abgetragen. Das Polierverfahren, bei dem vorzugsweise mit einem Elektrolyten aus 89,0 bis 90,5 Gew.-o/o H2SO4, 2,2 bis 3,0 Gew.-O/o HF und den restlichen Gewichtsanteilen H2O mit einer Temperatur von 20 bis 35°C und mit konstanten Spannungen zwischen 11 und 13 V gearbeitet wird, ist in der DE-PSThe starting material used for the niobium part 1 was niobium of the usual purity (reactor quality, purity> 99.8%), which was cold-worked by the manufacturer and recrystallized to small grains. The Niobteil 1 has been rotated from the solid and then annealed in ultra high vacuum at a temperature of 1900 0 C for 50 hours. The mean grain size was then about 5 mm. Then an approximately 150 μm thick layer was removed from the surface of the niobium part on all sides by anodic polishing with an oscillating current. The polishing process, in which preferably with an electrolyte of 89.0 to 90.5 wt. O / o H 2 SO 4 , 2.2 to 3.0 wt. O / o HF and the remaining parts by weight of H2O at one temperature from 20 to 35 ° C and with constant voltages between 11 and 13 V is used in the DE-PS
20 27 15b im einzelnen beschrieben. Nach dem anodischen Polieren wurde nochmals eine etwa 70 um dicke St !licht durch chemisches Polieren in einer Polierlösung aus einem Teil konzentrierter Salpetersäure und einem Teil 4()"/(iiger Fkißsäure abgetragen. Beide Polierschritte dienten zur Entfernung derjenigen Niobobcrflächenschichtcn. die aufgrund des vorhergehenden Drchens Störungen ihres Gefüges aufwiesen. Nach dem Polieren wies das topfförmige Niobteil 1 eine sehr glatte Oberfläche auf.20 27 15b described in detail. After the anodic Another 70 μm thick light was polished by chemical polishing in a polishing solution from one part concentrated nitric acid and one Part 4 () "/ (liquid liquid acid removed. Both polishing steps were used to remove those niobium surface layers. due to the previous drchen Exhibited disturbances in their structure. After polishing, the cup-shaped niobium part 1 was very smooth Surface on.
Die Innenfläche des Niobteils 1 wurde dann durch anodischc Oxidation mit einer Niobpcntoxidschicht 2 verschen. Das Niobteil 1 wurde dabei selbst als Gefäß für das Oxidationsbad verwendet und bis zum Rande mit einer wäßrigen Ammoniaklösung mit 25 Gcw.-% Ammoniak gefüllt. Anschließend wurde das Niobteil 1 mit dem Pluspol einer Spannungsquelle verbunden. Als Kathode wurde in das Bad ein Niobrohr mit etwa 20 mm Außendurchmesser etwa 30 mm tief koaxial zur Zylinderachse des Niobteils 1 eingetaucht. Die Badtemperatur betrug etwa 20°C. Die anodische Oxidation erfolgte mit einer konstanten Spannung von 50 V zwischen Anode und Kathode. Die Anfangsstromdichte auf der Innenfläche des Niobleils I betrug etwa ΙδηιΑ/αιι2. Mit wachsender Oxidschichtdicke nimmt der Strom ab. Bei einer Stromdichte von etwa 1 inA/cm2 wurde der Oxidationsvorgang beendet. Bei dieser niedrigen Stromdichte ist der Spannungsabfall im Elektrolyten gering, so daß die Spannung von 50 V praktisch über der Oxidschicht 2 abfällt, die dann eine gleichmäßige Dicke von etwa 0,1 μηι besitzt. Nach dem Entleeren wurde das Niobleil t dann mit destilliertem Wasser gespült.The inner surface of the niobium part 1 was then coated with a niobium oxide layer 2 by anodic oxidation. The niobium part 1 itself was used as a vessel for the oxidation bath and was filled to the brim with an aqueous ammonia solution containing 25% by weight of ammonia. The niobium part 1 was then connected to the positive pole of a voltage source. A niobium tube with an outside diameter of about 20 mm and about 30 mm deep, coaxially to the cylinder axis of the niobium part 1, was immersed in the bath as a cathode. The bath temperature was about 20 ° C. The anodic oxidation took place with a constant voltage of 50 V between anode and cathode. The initial current density on the inner surface of the niobium part I was approximately ΙδηιΑ / αιι 2 . The current decreases with increasing oxide layer thickness. The oxidation process was terminated at a current density of about 1 inA / cm 2. At this low current density, the voltage drop in the electrolyte is small, so that the voltage of 50 V practically drops across the oxide layer 2, which then has a uniform thickness of about 0.1 μm. After emptying, the niobium part was then rinsed with distilled water.
Zur Herstellung der NbiSn-Schicht wurde das Niobteil 1 in ein Quarzrohr 3 eingebracht, das eine evakuierbare Reaktionskammer bildet. Das Niobteil 1 wurde dabei auf ein ebenfalls aus Niob bestehendes Unterteil 4 gestellt, in dessen Mitte sich eine Vertiefung 5 befand, in die ein Zinnvorrat 6(p. a.-Qualität, Reinheit > 99,96%) eingebracht wurde. Die Oberfläche des in die Vertiefung 5 eingebrachten Zinnvorrates 6 kann im geschmolzenen Zustand vorteilhaft etwa 2 cm3, d. h. etwa 3% der mit der NbjSn-Schicht zu versehenden Nioboberfläche, betragen. Das Niobteil 1 und das Niobunterteil 4 bilden einen gegenüber dem restlichen Volumen des Quarzrohres 3 abgegrenzten Reaktionsbereich, der sowohl die Zinnquelle 6 als auch die mit der Nb3Sn-Schicht zu versehende, anodisch oxidierte Innenfläche des Niobteils 1 enthält. Die Stirnfläche des Niobteils 1 liegt dabei einfach auf der Oberfläche des Niobunterteils 4 auf. Die Unebenheiten beider Oberflächen haben eine maximale Tiefe von etwa 50 μιη. Dadurch wird zwischen beiden Flächen ein Zwischenraum aufrechterhalten, der ausreicht, um den Innenraum des von den Teilen 1 und 4 umschlossenen Reaktionsbereiches ausreichend zu evakuieren, aber wiederum so klein ist, daß beim späteren Erhitzen der Zinndampfdruck innerhalb des Reaktionsbereiches gegenüber dem Zinndampfdruck in den restlichen Teilen des Quarzrohres 3 erhöht bleibt. Der Gesamt-Leckquerschnitt zwischen dem Inneren des Reaktionsbereiches und dem restlichen Teil der Quarzampulle 3 beträgt schätzungsweise 0,15 cm2.To produce the NbiSn layer, the niobium part 1 was placed in a quartz tube 3, which forms a reaction chamber that can be evacuated. The niobium part 1 was placed on a lower part 4 also made of niobium, in the center of which there was a depression 5 into which a tin supply 6 (pa quality, purity> 99.96%) was introduced. The surface of the tin supply 6 introduced into the depression 5 can advantageously be approximately 2 cm 3 in the molten state, ie approximately 3% of the niobium surface to be provided with the NbjSn layer. The niobium part 1 and the niobium lower part 4 form a reaction area which is delimited from the remaining volume of the quartz tube 3 and which contains both the tin source 6 and the anodically oxidized inner surface of the niobium part 1 to be provided with the Nb 3 Sn layer. The end face of the niobium part 1 simply rests on the surface of the niobium lower part 4. The unevenness of both surfaces have a maximum depth of about 50 μm. As a result, a gap is maintained between the two surfaces which is sufficient to sufficiently evacuate the interior of the reaction area enclosed by parts 1 and 4, but is again so small that during subsequent heating the tin vapor pressure within the reaction area compared to the tin vapor pressure in the remaining parts of the quartz tube 3 remains increased. The total leakage cross-section between the interior of the reaction area and the remaining part of the quartz ampoule 3 is approximately 0.15 cm 2 .
Um im gleichen Arbeitsgang noch einen zweiten Resonator mit einer Nb.iSn-Schicht versehen zu können, wurde auf das Niobteil 1 noch ein zweites Niobunterteil 7 mit einer Zinnquelle 8 gelegt, auf das ein weiteres topfförmiges Niobteil 9 gestellt wurde. Die Niobteile 7In order to be able to provide a second resonator with an Nb.iSn layer in the same operation, a second niobium base 7 with a tin source 8 was placed on the niobium part 1, and another one on top of it pot-shaped niobium part 9 was placed. The niobium parts 7
und 9 spielen für die weiten: Erläuterung des crfindungsgcmäßcn Verfahrens keine KoIIe, werden jedoch erwähnt. d;i sie wegen ihrer wärmediiiniiienden Wirkung den in I i g. 4 dargeslellten Temperaturverlaul' in den Niobleilen I und 4 beeinflußt haben.and 9 games for the wide: Explanation of the There will be no resolution according to the procedure however mentioned. d; i them because of their heat-mediating properties Effect the in I i g. 4 have influenced the temperature trend in niobium parts I and 4.
Die aus den Niobleilen !. 4, 7 und 9 bestehende turmförmigc Anordnung wurde in der Quar/ampulle i auf einem Quarzrohrsliiek 10 gelagert. Vor dem Einbau wurden alle Niobteile in Aceton gespült.Those from the niobium lines! 4, 7 and 9 existing turmförmigc assembly was mounted in the Quar / vial i on a Quarzrohrsliiek 10th Before installation, all niobium parts were rinsed in acetone.
Wie die l· ι g. 2 und 3 /eigen, wurde außerdem in die Quar/ampullc 3 noch eine weitere, vor dem Einbau mil Quar/wolle gefüllte, evakuierte und durch Abschmelzen verschlossene Quar/ampullc Il eingesetzt und milicls eines Quarzrohrstücks 12 auf dem Niobteil 9 aufgestellt. LIm die Evakuierung des unteren Teils der Quarzampul-Ie 3 nicht zu behindern, enthielt die Quarzampulle 11 eine in den F i g. 2 und 3 gestrichelt dargestellte, in axialer Richtung verlaufende Öffnung und schloß außerdem nicht dicht mit der Innenwand der Quarzampulle 3 ab.Like the l · ι g. 2 and 3 / own, was also included in the Quar / ampullc 3 yet another, mil Quar / wool filled, evacuated and melted sealed quar / ampullc Il inserted and milicls a quartz tube piece 12 placed on the niobium part 9. In order not to hinder the evacuation of the lower part of the quartz ampoule 3, the quartz ampoule contained 11 one in FIGS. 2 and 3 shown in dashed lines, extending in the axial direction opening and closed also not tight with the inner wall of the quartz ampoule 3 from.
An ihrem offenen linde wurde die Quar/ampulle 3, wie F i g. 3 zeigt, über eine Indiumdichtung 13 um\ einen Edelstahlflansch 14 mit einem Edelstahlsehlaueh 15 verbunden, der zu einer Turbomolekularpumpe führte. Die Quarzampulle 3 wurde dann bei Zimmertemperatur so lange evakuiert, bis am pumpenseitigen Ende des Schlauches 15 ein Druck von 5 · 10 s Torr herrschte. Währenddessen wurde ein senkrecht stehender, rohrförmiger Widerstandsheizofen 16 auf eine Temperatur von IüjO + 5'C aufgeheizt. Unten war der Ofen mit Quarzwollc 17 verschlossen.The quartz ampoule 3, as shown in FIG. 3 shows a stainless steel flange 14 with a Edelstahlsehlaueh 15 connected via an indium seal 13 in order \, leading to a turbo molecular pump. The quartz ampoule 3 was then evacuated at room temperature until a pressure of 5 · 10 s Torr prevailed at the end of the hose 15 on the pump side. In the meantime, a vertical, tubular resistance heating furnace 16 was heated to a temperature of 10 + 5 ° C. The furnace was closed at the bottom with quartz wool.
Zu Deginn des Beschichiungsvorganges wurde die Quar/ampullc 3 bei weiterlaufender Turbomolekularpumpe so weit in den Ofen 16 abgesenkt, daß die Oberkante des Niobunterteils 4 mit der Oberkante des Ofens 16 abschloß. In dieser in F i g. 2 dargestellten Stellung wurde die Anordnung eine Stunde lang belassen. Wählend dieser Zeit heizten sich die Niobteile 4, 1, 7 und 9 auf unterschiedliche von unten nach oben abnehmende Temperaturen auf. Da die Wärmeleitung innerhalb der Niobteile besser ist als an den Übergangsstellen zwischen den Niobleilen, stellte sich im wesentlichen in jedem der vier Teile eine andere, innerhalb des jeweiligen Teiles jedoch etwa homogene Temperatur ein.To Deginn of the Beschichiungsvorganges was Quar / ampullc 3 lowered so far into the furnace 16 with the turbo molecular pump running that the The upper edge of the niobium lower part 4 ended with the upper edge of the furnace 16. In this in F i g. 2 shown The arrangement was left in place for an hour. During this time, the niobium parts heated up 4, 1, 7 and 9 on different temperatures decreasing from bottom to top. Because the conduction is better within the niobium parts than at the transition points between the niobium parts, it turned out essentially a different one in each of the four parts, but somewhat homogeneous within the respective part Temperature.
Fig.4 zeigt die wahrend des Aufheizens an den Niobteilen 1 und 4 gemessenen Temperaturen. An der Ordinate ist die Temperatur 7Ίη 1C, an der Abszisse die Aufheizzeit / in Minuten aufgetragen. Die Temperatur des Niobunterteils 4 und damit auch der Zinnquelle 6 ist durch die Kurve ;;, die Temperatur des lopfförmigcn Niobteils I durch die Kurve b wiedergegeben. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, stellte sich nach etwa 12 Minuten zwischen den beide-τ Teilen eine maximale Temperaturdifferenz von etwa 600"C ein, die sich bei langer dauernder Erhitzung wieder verringerte. Nach 60 Minuten betrug die Temperatur des Niobunterleils 4 etwa 8300C und die Temperatur des Niobteils 1 etwa 5700C. Während dieser Zeit wird aus der Zinndampfatmosphäre, die sieh beim Erhitzen in dem von den Teilen 1 und 4 umschlossenen Raum bildet, auf der Niobpentoxidschicht 2 eine Zinnschicht abgeschieden. Wichtig ist für diesen Abscheidevorgang, daß sich die Zinnquelle 6 auf einer höheren Temperatur, nämlich der Temperatur des Niobunterteils 4, befindet als die Innenfläche des Niobteils 1.4 shows the temperatures measured on the niobium parts 1 and 4 during the heating process. The temperature 7Ίη 1 C is plotted on the ordinate and the heating time / in minutes is plotted on the abscissa. The temperature of the niobium lower part 4 and thus also of the tin source 6 is shown by the curve ;;, the temperature of the lobed niobium part I by the curve b . As is apparent from Fig. 4, it turned after about 12 minutes between the both-τ parts of a maximum temperature difference of about 600 "C, which decreased during long lasting heating again. After 60 minutes the temperature was of Niobunterleils 4 about 830 0 C and the temperature of about 570 Niobteils 1 0 C. During this time, from the Zinndampfatmosphäre, the check on heating in the space enclosed by the parts 1 and 4 forms space is deposited on the niobium pentoxide 2 a tin layer. It is important for this deposition process, that the tin source 6 is at a higher temperature, namely the temperature of the niobium lower part 4, than the inner surface of the niobium part 1.
Nach der erwähnten Aufheizzeit von 60 Minuten wurde die Quarzampulle 3, wie Fig. 3 zeigt, so tief in den Ölen 16 abgesenkt, daß sieh die Niobteile I, -4, 7 undAfter the mentioned heating time of 60 minutes, the quartz ampoule 3, as shown in FIG. 3, was so deep in the oils 16 lowered, that see the niobium parts I, -4, 7 and
9 im homogen erwärmten Minelieil des Ofens 16 befanden. Durch die mil Quar/wolle gefüllte Quar/anipulle 11 wurde dabei sichergestellt, daß praktisch weder9 in the homogeneously heated miniature part of the oven 16 found. Quar / anipulle filled with the mil quar / wool 11 it was ensured that practically neither
•ι die Innenwände des Ofens 16 noch die erhii/ien Niobteile Wärme in den Raum außerhalb lies Ofens abstrahlen konnten. Es wurde so erreicht, daß sieh in den Niobteilen nach einiger /.eil eine nahezu homogene Tcmperatiirverteiluiig einslellte. wobei sich insbesonde-• ι the inner walls of the furnace 16 are still preserved Niobium parts could radiate heat into the space outside the furnace. It was achieved in such a way that see the After some parts of the niobium, an almost homogeneous temperature distribution was achieved. whereby in particular
Hi ie die Zinuquelle 6 im Niobunlerteil 4 praktisch auf der gleichen Temperatur befand wie das Niobteil I. Wie I i g. 4 zeigt, stellte sich diese homogene Teinpcraturvericilting etwa 25 Minuten nach dem Absenken der Quarzampulle 3 in den Ofen 16 ein. als in den NiobteilenHi ie the Zinuquelle 6 in Niobunlteil 4 practically on the the same temperature as the niobium part I. As I i g. 4 shows this homogeneous temperature vericilting turned out about 25 minutes after lowering the Quartz ampoule 3 in oven 16. than in the niobium parts
ι "> I und 4 eine einheitliche Temperatur von etwa 99"/O des Endwertes von 1050 C erreicht war. Die Niobteile wurden anschließend noch 3 Stunden im Mittellei! des auf 1050"C beheizten Ofens belassen. Während dieser /.eil wurde an der Innenfläche des Niobteils I dl·.·ι "> I and 4 a uniform temperature of about 99" / O des Final value of 1050 C was reached. The niobium parts were then in the middle egg for another 3 hours! of left at 1050 "C heated oven. During this /.eil was on the inner surface of the niobium part I dl ·. ·
_>o gewünschte NbiSn-Sehichl gebildet. Zu Deginn dieser Zeit stieg der Druck an der bereits erwähnten Mclislellc in der Nähe der Turbomolekularpumpe auf etwa IO ' Torr an. Am Ende der Zeil von 3 Stunden betrug er noch etwa 5 ■ 10 "Tor/. Wichtig ist, dall sich während dieser_> o desired NbiSn-Sehichl formed. To deginn this Time increased the pressure on the already mentioned Mclislellc near the turbo molecular pump to about IO ' Torr on. At the end of the 3 hour period it was still about 5 · 10 "goal /. It is important that you stay away during this
_'"i Reaktionszeit die Zinnquelle 6 nicht auf einer höheren Temperatur als die Innenfläche des Niobieils I befindet. Andernfalls ist es nämlich möglich, daü /iuudampf au tier Innenfläche des Niobteils I kondensiert und sich dort Zinntropfen bi'den. Bei Vergleichsversuchen wurde_ '"i response time the tin source 6 does not have a higher Temperature than the inner surface of the niobium I is located. Otherwise it is possible to use the steam The inner surface of the niobium part I condenses and drops of tin form there. When comparing tests was
ίο dieser unerwünsc!":.· Effekt beobachtet, sobald die Temperatur der /innquellc 6 während der Reaktionszeit von der Temperatur des Niobieils I um mehr alsίο this undesirable! ": · observed as soon as the effect Temperature of the / innquellc 6 during the reaction time of the temperature of the Niobieeil I by more than
10 C nach oben abwich.10 C deviated upwards.
Nach Abschluß der dreistündigen ReaktionszeitAt the end of the three hour reaction time
i'· wurde der Ofen 16 abgeschaltet, die Quar/wolle 17 vom unteren Ende des Ofens entfernt und ein schwacher Luftstrom von unten nach oben durch ilen Ofen geblasen. Hierbei kühlle sich tier Ofen von unten nach oben ab, und es wurde erreicht, daß das Niobleil IThe furnace 16 was switched off, the Quar / wool 17 from lower end of the oven removed and a gentle stream of air from the bottom up through ilen oven blown. Here the oven cools down from below above, and it was achieved that the niobium part I.
κι während des Abkühlens etwas wärmer war als das Niobunterleil 4 und die Zinnquelle 6. Dadurch wird insbesondere eine Kondensation von Zinndanipf auf der Innenfläche des Niobieils I während des Abkühlens vermieden.κι was a little warmer than that while cooling down Niobium base 4 and the tin source 6. This in particular causes condensation of tin dip on the Inner surface of the niobium I avoided during cooling.
Γι Nach einer Abkühl/eil von 1.5 Stunden wurde die Quarzampulle Ϊ ganz aus dem Ofen herausgezogen. Der Druck an der Meßstelle in der Nähe der Turbomolekularpumpe betrug zu diesem Zeitpunkt noch etwa 3 · 10 ' Torr. Die Niobicilc 9, 7, I und 4 zeigten in derΓι After a cooling / eil of 1.5 hours, the Quartz ampoule Ϊ pulled completely out of the oven. The pressure at the measuring point near the turbo molecular pump at this point was still about 3 · 10 'Torr. The Niobicilc 9, 7, I and 4 showed in the
"in genannten Reihenfolge zu diesem Zeitpunkt noch deutliche Rotglut bis kaum noch sichtbare Rotglut. Nach weiteren 1,5 Stunden betrug der Druck in der Nähe der Turbomolekularpumpe nur noch 2.5 ■ 10 «Torr."in the order mentioned at this time clear red heat to barely visible red heat. After a further 1.5 hours the pressure was close to Turbomolecular pump only 2.5 ■ 10 «Torr.
Nach vollständiger Abkühlung wurde die Quarzam-After cooling down completely, the quartz chamber was
M pulle 3 mit Argon belüftet und geöffnet. Das an seiner Innenfläche nunmehr eine etwa I [im dicke NbiSn-Schicht aufweisende Niobleil 1 wurde anschließend nur mil Aceton gereinigt und dann zusammen mit einem üblichen Koppelteil aus Niob mit von unten her in denM pulle 3 vented with argon and opened. That on his Inner surface now an approximately 1 [im thick NbiSn layer having niobium 1 was then cleaned only with acetone and then together with a usual coupling part made of niobium with from below in the
Wi Resonatorhohlraum mündenden Koppellcitungen in einen Kryostatcn eingebaut, wie dies aus der DE-PS 21 64 529 bekannt ist. Anschließend wurde der Hohlraumresonator mit Hilfe einer Turbomolekularpumpe auf etwa 3 · 10" Torr evakuiert und dann zunächst mitWi resonator cavity opening coupling lines in a Kryostatcn installed, as is known from DE-PS 21 64 529. Then the cavity resonator evacuated to about 3 · 10 "Torr using a turbo molecular pump and then initially with
h·-, flüssigem Stickstoff und anschließend mit flüssigem Helium abgekühlt. Bei 4,2 K wurde die Leerlaufgütc Q> bei niedriger magnetischer Induktion S=O gemessen. Durch Erniedrigung des Druckes über dem Heliumbadh · -, liquid nitrogen and then with liquid Helium cooled. At 4.2 K the idle quality was Q> measured at low magnetic induction S = O. By lowering the pressure above the helium bath
IlIl
wurde dann eine Temperatur von 1,5 K cingosielh und beidiesu 1 emporium" die Lcerlaufgüie Qn bei niedriger Induktion /i=0 sowie bei höchstmöglicher Induktion H ',"gemessen.a temperature of 1.5 K cingosielh and, in both cases, 1 emporium "the flow rate Qn at low induction / i = 0 and at the highest possible induction H '" was measured.
Die hierlx'i erhiilienon Werte für die kritische magnetische Induktion Ii",', bei der der l'eld/usammciibnich stiiitlindci, und für die Leerlaufgiite Qt.. letztere umgerechnet auf einen einviilvltiich des Koppelteils an seiner gesamten Innenfläche mil Nb ,Sn hc-chiclitelen Resonator, sind in der folgenden Tabelle inner Versuchsniimmer I angegeben.The values obtained here for the critical magnetic induction Ii ", ' at which the field / usammciibnich stiiitlindci, and for the idle energy Qt .. the latter converted to a single level of the coupling part on its entire inner surface with Nb, Sn hc- Chiclitelen resonator, are given in the following table within experimental unit I.
Nach Abschluß dieser Messungen und Ausbau des Resonatoi s aus dem Kryosiaten wurden von der mit der NbiSn-Schichl versehenen Innenfläche lies Niobieils I schrittweise dünne Schichten abge!ragen, indem /unäch.st durch anodische Oxidation in einer wäßrigen Ammoniaklösung mit etwa 25 Gew.-% Ammoniak eine Oxidschicht erzeugt und diese anschließend in 4O"/oiger I lußsäure wieder abgelöst wurde. Im ein/einen ist dieses Verfahren, das /weckmäßigerweise mehrfach wiederholt wird, in der DIi-OS 24 28 8f>7 beschrieben.After completing these measurements and removing the resonance from the cryosate, the with the Niobieils I. gradually remove thin layers by adding / next by anodic oxidation in an aqueous ammonia solution with about 25 wt .-% ammonia a Oxide layer is generated and then in 40 "/ oiger I was replaced by hydrofluoric acid. On the one hand, this procedure is repeated on a regular basis is repeated, in the DIi-OS 24 28 8f> 7 described.
Nach Abtragung einer etwa 0.18 um starken Nb1Sn-Schieht wurden die vorstehend geschilderten Messungen wiederholt und dabei die in der Tabelle unter Versuelis-Nr. 2 angegebenen Werte er/ielt.After an approximately 0.18 .mu.m thick Nb 1 Sn layer had been removed, the measurements described above were repeated and the results given in the table under Versuelis no. 2 values given.
Nach Abschluß dieser Versuche wurde die NbiSn-Schicht von der Innenfläche des Niobieils I durch chemisches Polieren in einer Lösung aus einem Teil konzentrierter Salpetersäure und einem Teil 4()%iger ilußsäure vollständig eiiifernl. Nach einer Policr/eii von etwa 0.3 Minuten war die NbiSn-Schichl entfernt. Da die Nioboberfläche dann jedoch noch nicht sehr glatt war. wurde das chemische Polieren bis zu einer Gesamlliele von 20 um iongesetzt.After these tests were completed, the NbiSn layer from the inner surface of the niobium part I by chemical polishing in a one-part solution concentrated nitric acid and one part 4 ()% iger oleic acid completely removed. After a Policr / eii The NbiSn-Schichl was about 0.3 minutes away. Since the niobium surface is then not very was smooth. chemical polishing was ionized to a total length of 20 µm.
Anschließend wurde das so von der NbiSn-Schichl befreite Niobieil 1 erneut an seiner Innenseite anodisch u\idieri und wiederum in gleicher Weise mi' einer NbtSn-Si-hicht versehen, wie dies an Hand tier l-'ig. I his 4 bereits erlauten wurde. Das so beschichtete Niobuii I wurde nach dem I lerausnehipcn aus de ι Qiiarzampuiic 3 wiederum nur mit Aceton gespült und. wie ebenfalls bereits erläuien. zusammen mil einem Niobkoppcheil in einen Kr\ostaien eingebaiil. IV.·ι eic, anschließenden Messung wurden die in der "Libelle unter Versuchs-Nr. 3 angegebene.) Werte erzieh.Subsequently, the niobium part 1 freed from the NbiSn layer was again anodically uidieri on its inside and again provided with an NbtSn-Si layer in the same way as is shown on the basis of FIG. I until 4 has already been explained. The niobium I coated in this way was again only rinsed with acetone after removing it from de ι Qiiarzampuiic 3. as already explained. embedded together with a niobium head in a crown. IV. · Ι eic, the subsequent measurement were the values given in the "dragonfly under test no. 3.) Values.
Nach dieser Messung vurde von iler NbiSn-Oberfliiche wiederum durch mehrfaches wieilerholtes aiuidisehes Oxitlieren und anschließendes chemisches Ablöset; der OMiisrhicht eine ciw.i 0.12 um dicke Schicht abgetragen. Anschließeml wurden erneut Messungen diirehgefiihri. tieren Lrgebnk iv. >ier Tabelle unter der Versuehs-Nr. 4 aufgeführt ist. Diese letzlgenannten Mcli'.verie wurden allerdings etwas durch Staub beeinträchtigt, tier infolge von Bauarbeiten im l.aborgebäude beim '/usamniensetzen ties Hohlraumresonators in dessen Innenraiini genei.After this measurement, the NbiSn surface was again removed by repeated repeated oxidation and subsequent chemical detachment; a 0.12 µm thick layer was removed from the layer. Measurements were then taken again. animals Lrgebnk iv. > ier table under test no. 4 is listed. These last-mentioned machines were admittedly somewhat affected by dust, as a result of construction work in the laboratory building when a deep cavity resonator was set up in its interior.
Wie die in tier Tabelle aufgefühnen Versuchsergebnisse /eigen, weitlen bei Hohlraumresonator)'!!, die nach dem erlintlungsgemäßen Verfahren mit Nb,Sn-Schichten vcisehen wurden, bei 1,5 K sehr hohe Weile für die Güte Q„ und für W1" erzielt, die durch anodisches Oxidieren und anschließendes chemisches Ablösen tier Oxitlschicht noch weiter erhöht werden konnten. Von besonderer Bedeutung ist es jedoch, dal.) tlas erfintlungsgemäße Verfahren auch für Temperaturen von 4,2 K Güten Q1, von über K)" liefert. Dies besagt, daß sich nach dem erfindiingsgemäßen Verfahren mit NbiSn-Schichlen versehene I lohlraumresonaioren auch bei Temporaiuren einsetzen lassen, bei denen ein liinsalz von Niob für Hochfrequenzanwendungen nicht mehr möglich ist. Messungen tier Güte Qit bei höheren magnetischen llußdichten und Messungen der kritischen magnetischen I lußdichte B'." waren bei den vorstehend erläuterten Versuchen bei 4,2 K wegen des Niobkoppclteils nicht möglich. Hei weiteren Versuchen, bei denen außer einem erfindungsgemaß mit einer NbiSn-Schichl versehenen Resonatortopf auch ein mit einer Nb,SN-Schichl versehenes Koppelleil verwendet wurde, wurde bei 4.2 K eine kritische magnetische Flußdichtc Ii",' von 78 niT erreicht.As the aufgefühnen in animal experimental results table / inherent in weitlen cavity) '!!, after the erlintlungsgemäßen process with Nb, Sn layers were vcisehen, very high at 1.5 K while for the Q' and W 1 ' achieved, which could be increased even further by anodic oxidation and subsequent chemical detachment of the oxide layer. However, it is of particular importance that) tlas according to the invention also delivers quality Q 1 for temperatures of 4.2 K, above K) ". This means that, according to the method according to the invention, cavity resonators provided with NbiSn layers can also be used in temporaries where a niobium salt is no longer possible for high-frequency applications. Measurements of the quality Q it at higher magnetic flux densities and measurements of the critical magnetic flux density B '. "Were not possible in the experiments explained above at 4.2 K because of the niobium coupling part. Schichl Resonatortopf provided also provided with a Nb, SN-Schichl Koppelleil was used, a critical magnetic Flußdichtc Ii ", 'of 78 nit was obtained at 4.2 K.
Außer Resonatoren vom TIi1n ι-Typ können natürlich mit Hilfe des erfindiingsgemäßen Verfahrens auch andere Resonatoren, beispielsweise solche vom TMniii-Typ oder Resonaiorwendeln mit NbiSn-Schichlen versehen werden.In addition to resonators of the Ti 1n type, other resonators, for example those of the TMniii type or resonator coils, can of course be provided with NbiSn layers with the aid of the method according to the invention.
llier/u 2 Ulan Zoiclimnmenllier / u 2 Ulan Zoiclimnmen
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